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Cell:改寫真核生物起源!阿斯加德古菌中發(fā)現(xiàn)真核生物專屬細(xì)胞骨架,一作將回國加入西湖大學(xué)

作者:王聰  來源:生物世界
  2025-03-27
瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊在“阿斯加德”古菌中發(fā)現(xiàn)可形成微管纖維的異源二聚體微管蛋白,為微管進(jìn)化起源及真核生物起源研究提供新視角與關(guān)鍵證據(jù)。

2015年,瑞典烏普薩拉大學(xué)的進(jìn)化微生物學(xué)家Thijs Ettema領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊在Nature期刊發(fā)表論文,發(fā)現(xiàn)了一種全新的古菌——洛基古菌(Lokiarchaeota),并解析了其的 DNA 序列。此后幾年內(nèi),該團(tuán)隊和其他研究人員又發(fā)現(xiàn)了與洛基古菌有關(guān)的幾種新古菌,分別命名為索爾古菌(Thorarchaeota)、奧丁古菌(Odinarchaeota)、海姆達(dá)爾古菌(Heimdallarchaeota)等,他們將這些新古菌以北歐神話中的神域阿斯加德(Asgard)命名。

2021年,深圳大學(xué)高等研究院李猛教授團(tuán)隊在Nature期刊發(fā)表論文,進(jìn)一步擴(kuò)展了“阿斯加德”古菌的系統(tǒng)發(fā)育多樣性,將“阿斯加德”古菌從原有的 6 個門增加到 12 個門,并將其中一個門命名為悟空古菌(Wukongarchaeota)。讓中國古代神話與北歐神話來了一次聯(lián)動。

這些“阿斯加德”古菌的發(fā)現(xiàn),重新激起了生命域真實數(shù)量(目前生命域被分為細(xì)菌域、古菌域和真核域)以及真核生命起源(內(nèi)共生學(xué)說認(rèn)為,原始真核細(xì)胞吞下了細(xì)菌,最終演化出了真核生物)的爭論。“阿斯加德”古菌被歸類于古菌,但具有多個真核生物的標(biāo)志性蛋白(例如肌動蛋白),那么,生命是否因該被分為兩個域?真核生物和古菌同屬一個域?真核生物是否有古菌通過內(nèi)共生直接演化而來?

2025年3月21日,瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Martin Pilhofer實驗室在Cell期刊發(fā)表了題為:Microtubule in Asgard archaea的研究論文。

該研究首次在“阿斯加德”古菌中發(fā)現(xiàn)了能夠形成微管纖維的異源二聚體微管蛋白,為微管的進(jìn)化起源提供了新視角。

微管結(jié)構(gòu),長期以來被認(rèn)為是真核生物(包括人類、動植物等)的“獨家專利”,而這項最新研究徹底改寫了這一認(rèn)知,這不僅填補(bǔ)了生命進(jìn)化樹上的關(guān)鍵空白,更為破解真核生物起源之謎提供了決定性證據(jù)。

微管結(jié)構(gòu)

突破性發(fā)現(xiàn):古菌中的“細(xì)胞骨架”

在深海水熱噴口等極端環(huán)境中,存在著一個被稱為“阿斯加德”古菌的神秘族群。它們被認(rèn)為是真核生物在進(jìn)化樹上最親近的“表親”,此前已被發(fā)現(xiàn)其擁有真核生物特有的肌動蛋白。而在這項最新研究中,研究團(tuán)隊通過冷凍電鏡斷層掃描技術(shù),在最早被發(fā)現(xiàn)的“阿斯加德”古菌——洛基古菌的細(xì)胞內(nèi)捕捉到了令人震驚的畫面:其細(xì)胞體和突起中存在著直徑為 12-18nm 的管狀結(jié)構(gòu),長度可達(dá) 1.7 微米。研究團(tuán)隊使用超分辨率膨脹顯微鏡發(fā)現(xiàn),特定生長階段的洛基古菌細(xì)胞內(nèi)存在微管蛋白組成的纖維網(wǎng)絡(luò)。

洛基古菌

解碼古菌微管的分子奧秘

研究團(tuán)隊通過蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)了洛基古菌兩個高表達(dá)的微管蛋白基因 AtubA/B,AtubA/B 蛋白像真核生物的 α/β 微管蛋白一樣,形成精密配對的異源二聚體,體外實驗證實,這些蛋白能在數(shù)秒內(nèi)自主組裝成兩種微管:標(biāo)準(zhǔn)型:5 根原絲組成的微管,與真核微管共享 M-loop 側(cè)向連接方式;變體型:AtubB2 替代 AtubB 后形成 7 原絲結(jié)構(gòu),展現(xiàn)獨特的組裝機(jī)制。

改寫教科書:微管的遠(yuǎn)古起源之謎

這項研究顛覆了三個傳統(tǒng)認(rèn)知:

1、時間線前移:微管的形成能力早在 20 億年前的古菌中就已存在;

2、進(jìn)化中間體:古菌微管兼具細(xì)菌 BtubA/B 的簡單性和真核微管的復(fù)雜性;

3、功能多樣性:AtubB2通過競爭性置換調(diào)控微管組裝,揭示早期細(xì)胞骨架的調(diào)控雛形。

傳統(tǒng)認(rèn)知

特別值得注意的是,古菌微管不需要真核生物復(fù)雜的伴侶蛋白協(xié)助組裝,這為開發(fā)新型生物材料提供了靈感。

生命起源的新啟示

這項突破性發(fā)現(xiàn)為生命起源研究開辟了新方向:

● 填補(bǔ)缺失環(huán)節(jié):解釋了真核生物復(fù)雜細(xì)胞結(jié)構(gòu)如何從古菌祖先演化而來;

● 改寫生命進(jìn)化樹:為“真核生物起源于古菌內(nèi)共生”假說提供了關(guān)鍵證據(jù);

● 技術(shù)新突破:建立了古菌蛋白在真核表達(dá)系統(tǒng)中的純化方法,為研究其他遠(yuǎn)古蛋白奠定基礎(chǔ)。

新方向

據(jù)悉,研究團(tuán)隊正在嘗試培養(yǎng)更多“阿斯加德”古菌,以期直接觀察活體細(xì)胞內(nèi)的微管動態(tài)。正如通訊作者M(jìn)artin Pilhofer教授所說:我們正在目睹生命復(fù)雜性的第一個火花,這些古菌細(xì)胞里蘊(yùn)藏著整個真核生物的進(jìn)化藍(lán)圖。

進(jìn)化藍(lán)圖

這項載入教科書的發(fā)現(xiàn)告訴我們:生命的偉大創(chuàng)新往往源于分子層面的微小突破。當(dāng)古菌祖先第一次將蛋白質(zhì)組裝成微管時,誰又能想到,這個簡單的結(jié)構(gòu)最終會演化成支撐起整個復(fù)雜生命世界的細(xì)胞骨架呢?在深海古菌的微觀世界里,記錄著關(guān)于生命起源的誘人篇章。

據(jù)悉,論文共同第一作者許靖蔚博士將于2025年8月全職加入西湖實驗室/西湖大學(xué)生命學(xué)院。其研究方向?qū)⒔Y(jié)合多尺度成像技術(shù)(包括冷凍電鏡單顆粒,原位冷凍電鏡斷層掃描、膨脹顯微成像等)和不同組學(xué)來研究細(xì)胞在應(yīng)對外界環(huán)境變化時其胞內(nèi)超微結(jié)構(gòu)(主要關(guān)注不同纖維網(wǎng)絡(luò))的重塑。

論文鏈接:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00254-5

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